一種基于光學(xué)變換的超表面透鏡天線及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光學(xué)變換的超表面透鏡及其制造方法，所述基于光學(xué)變換的超表面透鏡包括介質(zhì)基板，設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的饋源和透鏡主體，所述透鏡主體的折射率分布由龍伯透鏡的折射率分布經(jīng)光學(xué)變換后形成。所述基于光學(xué)變換的超表面透鏡的制造方法，包括如下步驟：采用光學(xué)變換將龍伯透鏡的折射率分布變換為透鏡主體的折射率分布；按照透鏡主體的折射率分布在介質(zhì)基板上集成U型結(jié)構(gòu)單元和饋源。發(fā)明的透鏡具有傳統(tǒng)龍伯透鏡的定向輻射的效果，同時(shí)變換后的透鏡具有拉平的聚焦面，有利于更好地饋電和集成化。
【專利說明】一種基于光學(xué)變換的超表面透鏡天線及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于新型人工電磁材料的表面等離激元透鏡，可用于微波，毫米波和太赫茲領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]如圖1所示，現(xiàn)有的龍伯透鏡被置于一個(gè)矩形區(qū)域中，其中龍伯透鏡的一部分在矩形外部，龍伯透鏡具有的弧形聚焦面不利于饋電和集成化，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的球形龍伯透鏡也存在著高損耗和較難制作的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]發(fā)明目的:本發(fā)明要提供一種基于光學(xué)變換的超表面透鏡天線及其制造方法，將光學(xué)變換引入到表面波的調(diào)控中；把現(xiàn)有龍伯透鏡的弧形聚焦面拉平，以便于更好的饋電和集成化。
[0004]技術(shù)方案:一種基于光學(xué)變換的超表面透鏡，包括介質(zhì)基板，設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的饋源和透鏡主體，所述透鏡主體的折射率分布由龍伯透鏡的折射率分布經(jīng)光學(xué)變換后形成。
[0005]所述透鏡主體由行列排布的U型結(jié)構(gòu)單元組成。所述透鏡主體成軸對(duì)稱，沿對(duì)稱軸或平行于對(duì)稱軸的方向，U型結(jié)構(gòu)單元的槽深從遠(yuǎn)離所述饋源處向靠近所述饋源處逐漸加深，沿垂直所述對(duì)稱軸的方向，U型結(jié)構(gòu)單元的槽深從遠(yuǎn)離所述對(duì)稱軸處向靠近所述對(duì)稱軸處逐漸加深。所述饋源由3個(gè)正反vivaldi天線組成。
[0006]一種基于光學(xué)變換的超表面透鏡的制造方法，包括如下步驟:采用光學(xué)變換將龍伯透鏡的折射率分布變換為透鏡主體的折射率分布；按照透鏡主體的折射率分布在介質(zhì)基板上集成U型結(jié)構(gòu)單元和饋源。當(dāng)需要調(diào)節(jié)或改變透鏡主體的折射率分布時(shí)，改變至少部分U型結(jié)構(gòu)單元的槽深或改變U型結(jié)構(gòu)單元的槽深分布。
[0007]有益效果:本發(fā)明的透鏡具有傳統(tǒng)龍伯透鏡的定向輻射的效果，同時(shí)變換后的透鏡具有拉平的聚焦面，有利于更好地饋電和集成化；本發(fā)明將電磁波以表面波的方式束縛在表面，使得透鏡的剖面壓縮到亞波長區(qū)域，因而減小了體積，相應(yīng)的損耗降低而且便于制作；另外，本發(fā)明可以通過縮放尺寸使其應(yīng)用在不同頻段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的折射率分布；
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的折射率分布圖；
圖4是本發(fā)明U型結(jié)構(gòu)單元的槽深的分布圖；
圖5是本發(fā)明的透鏡饋源的結(jié)構(gòu)圖；
圖6是本發(fā)明的U型結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是本發(fā)明數(shù)值方法仿真的二維色散曲線；
圖8 a至圖8f為透鏡在8GHz時(shí)的近場(chǎng)仿真與測(cè)試的對(duì)比圖；
圖9a至圖9f為透鏡在9GHz時(shí)的近場(chǎng)仿真與測(cè)試的對(duì)比圖；
圖1Oa至圖1Of為透鏡在IOGHz時(shí)的近場(chǎng)仿真與測(cè)試的對(duì)比圖；
圖11是本發(fā)明的透鏡在8GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果圖；
圖12是本發(fā)明的透鏡在9GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果圖；
圖13是本發(fā)明的透鏡在IOGHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]結(jié)合圖2至圖11進(jìn)一步描述本發(fā)明的超表面透鏡。如圖2所示，本發(fā)明基于光學(xué)變換的超表面透鏡主要由饋源2和透鏡主體3組成，透鏡主體集成在介質(zhì)基板I上。饋源2由三個(gè)正反vivald天線組成，透鏡主體由離散分布的金屬的U型結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。U型結(jié)構(gòu)單元的分布是由龍伯透鏡的分布經(jīng)過光學(xué)變換后演變而來，這種分布使得龍伯透鏡的弧形聚焦面被拉平成平面，因而當(dāng)用不同的正反vivaldi天線激勵(lì)透鏡時(shí)，透鏡所支持的表面波沿不同的方向定向輻射。
[0010]透鏡主體的折射率的調(diào)控是通過U型結(jié)構(gòu)的槽深來控制的。具體地，鏡主體成軸對(duì)稱，沿對(duì)稱軸或平行于對(duì)稱軸的方向，U型結(jié)構(gòu)單元的槽深從遠(yuǎn)離所述饋源處向靠近所述饋源處逐漸加深，沿垂直所述對(duì)稱軸的方向，U型結(jié)構(gòu)單元的槽深從遠(yuǎn)離所述對(duì)稱軸處向靠近所述對(duì)稱軸處逐漸加深。本發(fā)明用光學(xué)變換將傳統(tǒng)龍伯透鏡的弧形聚焦面拉平，更便于饋電以及系統(tǒng)的深度集成。本發(fā)明基于超表面制作的龍伯透鏡將電磁波以表面波的方式束縛在表面，使得透鏡的剖面壓縮到亞波長區(qū)域，因而體積減小，相應(yīng)的損耗降低而且便于制作。
[0011]制造上述基于光學(xué)變換的超表面透鏡的方法包括如下步驟:采用光學(xué)變換將龍伯透鏡的折射率分布變換為透鏡主體的折射率分布；按照透鏡主體的折射率分布在介質(zhì)基板上集成U型結(jié)構(gòu)單元和饋源。當(dāng)需要調(diào)節(jié)或改變透鏡主體的折射率分布時(shí)，改變至少部分U型結(jié)構(gòu)單元的槽深或改變U型結(jié)構(gòu)單元的槽深分布。
[0012]具體地，利用金屬的U型結(jié)構(gòu)單元來組成透鏡主體，用數(shù)值方法確定U型結(jié)構(gòu)單元的色散特性，最終得到表面折射率；對(duì)傳統(tǒng)的龍伯透鏡的折射率分布進(jìn)行光學(xué)變換，然后按照光學(xué)變換后的折射率分布來排列結(jié)構(gòu)單元，折射率的調(diào)控是通過控制U型結(jié)構(gòu)單元的槽深來控制的。如圖7所示的數(shù)值方法仿真的二維色散曲線，盡管曲線不是呈各向同性的圓形，但次單元結(jié)構(gòu)的各向異性是比較弱的，因而在設(shè)計(jì)中近視作為各向同向處理，并按照單元結(jié)構(gòu)在透鏡中的放置方式取ky作為單元結(jié)構(gòu)的傳播波數(shù)，從而得到單元結(jié)構(gòu)的表面折射率。
[0013]如圖3所示，該圖顯示了光學(xué)變換之后的折射率分布，可以看到傳統(tǒng)龍伯透鏡的弧形聚焦面被拉平。圖4顯示了在光學(xué)變換后的區(qū)域中每個(gè)U型單元的槽的深度。不同的槽深對(duì)應(yīng)不同的表面折射率,其中外周的白色的部分由于其表面折射率接近空氣的折射率因而可以直接被空氣代替。圖5顯示了饋源的結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)饋源由3個(gè)正反vivaldi天線構(gòu)成。如圖6所示的U型結(jié)構(gòu)單元,其具體尺寸.Py=4.6mm, Px=3.4mm, dy=4mm, dx=3mm,w=l.5mm, h從Imm到2.8mm。需要說明的是,根據(jù)工作頻段不同,技術(shù)人員可以對(duì)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
[0014]圖8a至圖8f顯示了 8GHz時(shí)透鏡的近場(chǎng)與仿真結(jié)果的對(duì)比，可以看到，當(dāng)激勵(lì)不同的vivaldi天線時(shí)，透鏡所支持的表面波沿不同的方向定向輻射，仿真和測(cè)試有著良好的吻合度。
[0015]圖9a至圖9f顯示了 9GHz時(shí)透鏡的近場(chǎng)與仿真結(jié)果的對(duì)比,可以看到，當(dāng)激勵(lì)不同的vivaldi天線時(shí)，透鏡所支持的表面波沿不同的方向定向輻射，仿真和測(cè)試有著良好的吻合度。
[0016]圖1Oa至圖1Of顯示了 IOGHz時(shí)透鏡的近場(chǎng)與仿真結(jié)果的對(duì)比，可以看到，當(dāng)激勵(lì)不同的vivaldi天線時(shí)，透鏡所支持的表面波沿不同的方向定向輻射，仿真和測(cè)試有著良好的吻合度。
[0017]圖11、圖12和圖13分別顯示了 8GHz、9GHz、10GHz時(shí)透鏡的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，可以看至IJ，當(dāng)激勵(lì)不同的vivaldi天線時(shí)，透鏡的主瓣指向不同的方向，表明這種表面波透鏡天線可以實(shí)現(xiàn)定向波束在一定范圍內(nèi)的掃描。需要說明的是，本發(fā)明中的透鏡根據(jù)工作頻段不同，可采用不同加工工藝實(shí)現(xiàn)。
[0018]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光學(xué)變換的超表面透鏡，包括介質(zhì)基板，其特征在于，還包括設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的饋源和透鏡主體，所述透鏡主體的折射率分布由龍伯透鏡的折射率分布經(jīng)光學(xué)變換后形成。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)變換的超表面透鏡，其特征在于，所述透鏡主體由行列排布的U型結(jié)構(gòu)單元組成。
3.如權(quán)利要求2所述的基于光學(xué)變換的超表面透鏡，其特征在于，所述透鏡主體成軸對(duì)稱，沿對(duì)稱軸或平行于對(duì)稱軸的方向，U型結(jié)構(gòu)單元的槽深從遠(yuǎn)離所述饋源處向靠近所述饋源處逐漸加深，沿垂直所述對(duì)稱軸的方向，U型結(jié)構(gòu)單元的槽深從遠(yuǎn)離所述對(duì)稱軸處向靠近所述對(duì)稱軸處逐漸加深。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的基于光學(xué)變換的超表面透鏡，其特征在于，所述饋源由3個(gè)正反vivaldi天線組成。
5.一種基于光學(xué)變換的超表面透鏡的制造方法，其特征在于，包括如下步驟:采用光學(xué)變換將龍伯透鏡的折射率分布變換為透鏡主體的折射率分布；按照透鏡主體的折射率分布在介質(zhì)基板上集成U型結(jié)構(gòu)單元和饋源。
6.如權(quán)利要求5所述的基于光學(xué)變換的超表面透鏡的制造方法，其特征在于，當(dāng)需要調(diào)節(jié)或改變透鏡主體的折射率分布時(shí)，改變至少部分U型結(jié)構(gòu)單元的槽深或改變U型結(jié)構(gòu)單元的槽深分布。
【文檔編號(hào)】H01Q15/02GK103515713SQ201310414121
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】崔鐵軍, 萬向 申請(qǐng)人:東南大學(xué)